7/27/2019 417 ALGASISM DECS - Dissipatori Elettroinduttivi - Electroinductive Dissipators

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The( e vi ce s b as ed o n

l e c t r o - i n d u c t i v eprinciple for the ontrolof tructures) is the firstr es ul t o f r es ea rc hactivities performed by

Alga in co-operationwith University of Pavia,Polytechnic of Milanoand ENEA on electro-inductive dissipators.

T h e i n n ov a ti v ec o n c e p t o f d i s s i p a t i n g energy byelectricityi s v e r y simple: theide a i s tod i s s i p a t eenergy converting the mechanicalone into heat. The movement causedby the earthquake is transferred tothe device and utilised as primaryenergy source to generate electric

power. Its conversion into heatdamps the motion reducing theaction on the structure. TheAlgasismDECS, must be installed on thestructures and connected between

t w opoints in relative movement duringthe earthquake excitation. Thanks tothese movements, the apparatusdevelops electric energy (as in theelectrical generators). This current isthen dissipated in a short circuit andconverted into heat.

There are many types of electro-inductive devices. If the energyconversion is uncontrolled, this is a

i f t he e ne rg y dissipat ion is m odulat ed, t heapparatus is called

.

In the it is possible to

r e gu l at e s i gn a n d a m o u n t o f t h e

instantaneous powerflow exchanged between

structure and device, inorder to achieve a real

time control of the vibrationmodes of the structure to be

protected.

The basic device scheme ofa passive device (fig. 1)

includes a part equipped withpermanent magnets, in order

to create a magnetic field, andanother part, in relative motion withr es pe ct t o t he p re vi ou s o ne ,containing the induced electric circuitand, in case, connected to anexternal circuit: the selection of which

parts are fixed or moveable dependson design choices, nature on thed evi ce, l ev el of p owe r to b edissipated.

The use of permanent magnets,

instead of a current excitationsystem, is preferable because of itssimplicity, the secure and readyavailability of the magnetic field andthe consequent higher reliability.

Algasism DECSD

EC

S

pa ss iv e DE CS

semi-activedissipator

active DECS

L'A lgasism D EC S DE

C SD E CS p a s si v o

semi attivo

DECS attivi,

( ispositivobasato su principi lettro induttivi peril ontrollo delle trutture) il primorisultato delle attivit di ricercacompiute da Alga in cooperazione

c on l 'U ni ve rs it d i P av ia , i lPolitecnico di Milano e l'ENEA, suidissipatorielettro induttivi.

Dissipare energia con l'elettricit semplice ed innovativo: si convertequella meccanica in calore. Il motocausato dai rapidi movimenti esterni,dovuti ai terremoti, trasferito aldispositivo ed utilizzato come fonteprimaria d'energia che genera forzaelettrica, per limitare e smorzare les o l l ec i t az i o n i a l l a s t ru t t ur a .L'Algasism DECS, infatti, una volta

applicato alla struttura e collegati duepunti in movimento relativo durantel'azione del terremoto, producec o rr e nt e e l et tr i ca ( c om e n e igeneratori). Questa correntegenerata viene poi dissipatai n u n c orto ci rcui to econvertita in calore.

Vi sono diversi tipi did i s p os i t i vi e l e t tr o

induttivi.

d ef in it o i ldispositivo nel quale la conversionedell 'energia elettrica in caloreavviene in modo incontrollato,viceversa se la dissipazione dienergia controllata, il dispositivo

.

Nei vi inoltre lapossibilit di regolare segno equantit di energia scambiata trastruttura e dispositivo, in modo dac on tr ol la re i n t em po r ea le l eosci l lazioni nella st rut tur a daproteggere.

Lo schema dell'apparecchiatura dibase di un dispositivo passivo (fig. 1)include una parte equipaggiata conmagneti permanenti, in modo dacreare un campo magnetico, edun'altra parte, contenente il circuitoelett r ico indot t o, col legat o

event ualmente ad un circuit oesterno.

La scelta delle parti, fisse o mobili,dipende da scelte progettuali, dal tipodi apparecchiatura e dalla quantit dipotenza dissipata. L'uso di magnetipermanenti, invece di un sistema dieccitazione elettrico, preferibile perla sua semplicit, per la sicura epronta disponibilit del campomagnetico con conseguenticaratteristiche d'affidabilitpi alte.

Fig. 1 - Un ALGASISM DECSrotativo passivo - A rotatingpassive ALGASISM DECS

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Advantages

Recommendationsfor thedesigner

If compared with hyd raulic devices giving similarperformances, DECS assurethe following greatadvantages

Maintenance free. DECS don't utilize fluids in pressurenor seals. Pratically unlimited service life

Possibility to fit any force displacement law required bythe designer

Immediate response, even with very small displacements.The response is not depending from materialcompressibility as in hydraulic devices.

Althogh DECS may be pratically designed for any constitutivelawit is recommendedto adopt thefollowingone:

where:

is theforce

is thevelocity

is a constant to be choosen by thedesigner.

It is recommendedto utilize

= (0.10.02) in [kN/(m/s)

Where:

is theweight of thestructure in kN.

Theuse of DECS forthe seismic protection of structures alwaysrequirethe executionon a nonlineartime hystory analysis.

If used as lock-up devices DECS have the great advantage, inrespect of hydraulic devices, to providean istantaneous lockingof the structure.

The required movement to reach locking will be less than 2mm.

!

!

!

F = C V

F

V

C

C W

W

x

x

0 . 1

0 . 1

]

Vantaggi

Raccomandazioni per il progettista

Se comparato con sistemi idraulici che possano dareprestazioni analoghe, i DECS presentano i seguenti enormivantaggi:

Assenza di manutenzione. I DECS non contengonoliquidi in pressione, n guarnizioni. Durata illimitata

Adattabilit a qualunque legge carico - spostamentorichiesta dal progettista

Risposta immediata, anche con spostamenti minimi.Infatti la risposta non dipende dalla compressibilit deimateriali come avviene per i ritegni idraulici.

Anche se i DECS possono essere dimensionati in pratica perqualsiasi legge carico spostamento, si raccomanda diutilizzare la legge:

dove:

la forza

la velocit

la costante: deve essere scelta dal progettista.

Si raccomanda di utilizzare un valore:

= (0.10.02) in [kN/(m/s) ]

dove:

il peso della struttura da isolare in kN.

L'impiego di DECS per la protezione sismica delle strutturerichiede sempre l'esecuzione di un'analisi dinamica nonlineare.

Se usati come accoppiatori idraulici i DECS presentanol'enorme vantaggio, rispetto ai sistemi idraulici, di conseguireun bloccaggio praticamente istantaneo della struttura, conmovimento inferiore a 2 mm.

!

!

!

F = C V

F

V

C

C W

W

x

x

0 . 1

0 . 1

Fig. 2

Struttura di un ALGASISM DECSrotativopassivo

Structure of a rotat ing passiveALGASISMDECS

C e rn i er e s f er i ch e p e r collegare il dispositivo allastruttura

Magneti permanenti

RotoreR

StatoreF

Vitesenza fineE

Spherical hinges to connectthe device to the structure

Permanent magnets

otating disk

ixedsupportplates

ndless screw

1

2

3

4

5

1

23 4

5

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Funzionamento

Il livello di dissipazione dipende dalla velocit relativa delcircuito elettrico rispetto al campo magnetico. Essendo larisposta del dispositivo relativa alla velocit lineare difunzionamento, i DECS possono essere comparati aidissipatori fluido dinamici.

Quando la velocit piccola, la forza di reazione deldispositivo trascurabile. Ci fondamentale per permettere imovimenti lenti delle strutture (ad esempio espansione o

contrazione termica), al contrario quando il moto veloce larisposta aumenta e cos pure la dissipazione.

La definizione della velocit di funzionamento basilare per laprogettazione dei DECS. Per applicazioni sismiche, unragionevole valore medio di riferimento per la velocit delterremoto di circa 0,5m/s.

L' di s eguito d escritto, un d ispositivo r otantedove il movimento lineare del sisma convertito in unorotativo, attraversouna specialevite .

Il vantaggiodi questa soluzione la possibilit di amplificare lavelocit relativa, scegliendo un rapporto appropriato tra motolineare e rotativo.

Un progetto ottimale della vitedeve tendere ad aumentare il pi

possibile il rapporto della velocit ed allo stesso tempo limitarel'attrito tra vite e componenti rotanti. A tale scopo, devonoessere adottati materiali speciali con attrito molto basso.

Il disco del rotore fatto di un materiale conduttivo, nonmagnetico e caratterizzato da bassa inerzia, guidato da unaspeciale vite senza fine. Questo disco, attraversato dal campomagnetico e rappresenta il circuitoelettricoindotto, nelquale sisviluppa tutta la perditadi potenza.

Sono stati considerati per il disco diversi materiali in modo daottimizzare la risposta del dispositivo, tenendo inconsiderazione anche l'innalzamento termico che avvienedurante e dopo l'evento sismico (fig. 3).

La temperatura interna nell'area attiva (disco - magneti) unaspetto critico del progetto: temperature troppo altepotrebbero danneggiare il disco stesso.

Il progetto del DECS illustrato stato studiato in modo daottenere un livello di dissipazione comparabile ad undissipatore fluido dinamico standard.

AlgasismDECS

(fig. 2)

DeviceBehaviour

The dissipation level depends on the relative velocity of theelectric circuit as regards to the magnetic field. Being theresponse of the devices related to the operating linear velocity,the electro-inductive dissipators can be compared with theviscous dampers.

When the velocity is small, the reaction force of the devices isnegligible: this is fundamental to allow the slow movements ofthe structures (for example thermal expansion or contraction),

by the contrary when the motion is fast the response increasesandthe dissipation effectis achieved.

The operating velocity range definition is the basicrequirement for the electro-inductive devices design; forseismic applications, a reasonable average reference value fortheearthquake velocity is about 0,5m/s.

The here d escribed, i s a rotating s ystem w herethe linear earthquake motion is converted into a rotational onethrough a screw .

The advantage of this solution is the possibility of amplifyingthe relative velocity by a suitable selection of the ratio betweenlinear and rotational motion. An optimal design of the screwmust tend to increase as much as possible the velocity ratio, at

the same time limiting the friction between screw and rotatingcomponent; to this aim, special low friction materials must beadopted forthe screw andthe rotatingpart.

The rotating disk (made of a conductive, not magnetic materialand characterised by a low inertia) is driven by the endlessscrew: this disk, crossed by the magnetic field, represents theinduced electric circuit, in which all the power loss isdeveloped.

Different materials have been considered for the disk in orderto optimise the device response taking into account also thethermal phenomena occurring during and after the seismicevent (fig. 3).

The device internal temperature in the active area (disk activebelt and magnets belt) is a critical design aspect: too high disk

temperatures coulddamage the disk itself.

Thedesign of theillustrated DECS hasbeen performedin orderto obtain a dissipation level comparable with standard viscousdampers.

AlgasismDECS

(fig. 2)

Disco dalluminioAluminium disk

Disco in lega di rame - nichelCopper - Nickel alloy disk

Fig. 3

Confronto tra dischi di materialediverso

Different disk materials comparation

Tutte le curve si riferiscono ad unDECS passivo con le seguenticaratteristiche:

Dischidi diametro550 mm

Perdita di potenza P =125 kW

Velocit lineare allecerniere: 0.5m/s

Temperatura zonaattiva = 115C

F, d = Forza e spostamento allecerniere sferiche

!

!

!

!

d n

All the plots refer to passive DECS withthe following caracteristics:

Disks diameter 550 mm

Power loss P =125kW

Linearspeed atthe hinges: 0.5m/s

Active belt disk temperature= 115C

F, d = Force and displacement at thespherical hinges

!

!

!

!

d n

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Provedi laboratorio

Tutti i prototipi sono stati esaminati con la macchina per leprove dinamiche MTS, del laboratorio ALGA (fig. 4).

Il dispositivo rotativo entra in funzione istantaneamente,quando viene applicato un moto lineare alle cerniere sferichecollegate alla macchina di prova.

Numerose prove sono state effettuate per verificare la reazionedell'apparecchio. La prima prova, a velocit molto bassa

(meno di 0,01 mm/s), permette di calcolare l'attritodell'apparecchiatura che molto inferiore al 10% della forza diprogetto. Le prove ad alta velocit sono state compiute usanoonde sinusoidali e triangolari con una frequenza che varia tra1/200Hze2Hzedampiezzada10mmfinoa80mm.

La rotazione del disco, (di conseguenza la dissipazione elettroinduttiva) comincia quando il vuoto (circa 2 mm) nel sistema ditrasmissione stato compensato e ci spiega il piccolospostamentonella risposta misurata.

Particolare riguardo nel progetto del dispositivo stato postoall'influenza della temperatura nell'apparecchiofunzionante.

La temperatura della superficie esterna del rotore, misurata altermine della prova era di circa 70C, mentre ragionevolesupporre che la superficie, direttamente vicino all'area attivadei magneti permanenti, stata sottoposta ad una temperaturamolto pialta, senza subirealcun danno ai magneti.

Al termine di tutte le prove, l'apparecchio stato sottoposto asollecitazioni estreme e ha sempre reagito, senza alcuno dannoo degradazione nel funzionamento.

Il diagramma di fig. 5 rappresenta una prova di 10 cicli nelquale non si nota alcun cambio significativo nella risposta deldispositivo e si evidenzia che la risposta misurata moltovicinaa quella di progetto.

Laboratory testsAll the prototypes have been tested using an MTS test machine,available atALGA laboratory (fig. 4).

The manufactured rotating device is suited to operate when arelative linear motion occurs between the two spherical hingesthat are connectedto thetest machine.

Different tests have been performed to verify the deviceresponse cycle. The first test at very low velocity (lower than

0.01 mm/sec) allows to calculate the device friction that is lessthan 10%of thedesign load.

The high speed tests have been performed using sinusoidal andtriangular excitations with a frequency range between 1/200and 2 Hzand amplitudefrom 10mmup to 80 mm.

The measured device response is very close to the onecalculated.

The disk rotation (consequently electro-inductive dissipation)starts when all the transmission system gap (about 2 mm) hasbeen compensated and this fact explains the little shift of themeasuredresponsecycles.

The influence of the temperature in the device functioning hasbeen deeply investigated.

The temperature of the rotating disk external surface,measured, at the end of the test is approximately of 70Cdegree, while it is reasonable to suppose that the surfacedirectly close to the device active area (permanent magnetssurface) has been subjected to an higher temperature withoutanydamage to thepermanent magnets.

At the end of all the tests the device has been subjected to manyexcitationswithout any damage or response degradation.

The cyclesshown inthe fig. 5 represent a testwith10 cyclesandno significant changes in thedevice responsehas been noted.

Installazione

I promettenti risultati ottenuti dai prototipi esaminati hannopermesso ad ALGA di avviare un progetto preliminare diALGASISM DECS rotativo, dimensionato per forze e capacitdi movimento, appropriato per essere installato su strutturevere, in modo da offrire una valida alternativa ai dispositivifluido dinamici. Il layout per l'installazione di questiapparecchi quellomostrato in fig. 6.

I dispositivi ALGASISM DECS rotativi sono gi statidimensionati per forzeda 1000 kN a 3000 kN e movimenti finoa 1 metro. Unesempio diquestidispositivi mostratoin fig. 7.

InstallationThe promising results obtained by the tested prototype

suggested ALGA to start a preliminary design of rotatingALGASISM DECS with force and displacement capacitysuitable for installation on real structures in order to offer analternative to the viscous dampers. The general layout of thesedevicesis the sameof the one shown inthe fig. 6.

The rotating ALGASISM DECS devices has been designed forforce level from 1000 kN to 3000 kN and displacement up to 1meter. An example of thestudied deviceis shown in thefig. 7.

Fig. 4 - 5Prove dinamiche con la macchina MTSDynamic test with MTS machine

Fig. 6ALGASISM DECS - Installazione tipoALGASISM DECS typical layout

PILA- PIER

SPALLA -ABUTMENT

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Note: e = corsa / in mm - Misure indicative -stroke All measures are indicative

Ancoraggi - AnchorsDimens. [mm]CTipo

Type [kN/(m/s) ]0 .1

L D A x B S n/

DE 250 / e

DE 500 / e

DE 1000 / eDE 2000 / e

DE 3000 / e

250

500

10002000

3000

1000 + 3 e

1200 + 3 e

1400 + 3 e1600 + 3 e

2000 + 3 e

800

800

8001200

1400

250 250

300 300

500 500600 600

700 700

150

250

400500

550

4 / 20

4 / 24

6 / 308 / 33

8 / 36

REALIZZAZ

IONEUFFICIO

TECNICO

ALGA-

STAMPA

PR

ESSPOINT-

2EDIZIONE-

SET03

Fig. 7: ALGASISM DECS rotativo passivo - Rotating passive ALGASISM DECS

L

L+S

DAxB

S

SEZIONE TIPOTYPICAL SECTION

DIMENSIONI - DIMENSIONS

ALGASISM DECS rotativo passivo - Rotating Passive dissipator

Bobinedi controllo

Magnetipermanenti

RotoreR

StatoreF

VitesenzafineE

Controlcoils

Permanentmagnets

otatingdisk

ixedsupportplates

ndless screw

12

3

4

5

12

43

RICERCA - RESEARCH

DECS semiattivo - Semi-active dissipator

5